王 蒙，孫 梅

(泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安 271021)

1 引言

微波濾波器是微波工程中重要的微波器件之一，在系統(tǒng)中常以二端口網(wǎng)絡(luò)形式出現(xiàn)，并完成一個基本的功能:允許通帶內(nèi)頻段的微波信號傳輸，阻止阻帶頻段微波信號傳輸.這種頻率的分離和組合，也是大多數(shù)微波系統(tǒng)設(shè)計的中心問題.一般情況下，射頻電路設(shè)計中濾波器都使用無源電路來實(shí)現(xiàn).

隨著數(shù)字移動通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，激烈的擴(kuò)頻競爭迫使人們更加關(guān)注濾波器的性能，特別是通帶內(nèi)的低插入損耗、高篩選性、阻帶陡峭、小型化等優(yōu)良特性.因此在微波頻段濾波器的工藝、材料和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)完善，促進(jìn)了微波系統(tǒng)和微波集成電路的發(fā)展.本論文正是根據(jù)微波濾波器的特性設(shè)計一種微帶交叉耦合環(huán)形濾波器，要求其小型化、頻段規(guī)則性高、邊緣陡峭，可用于小型化天線系統(tǒng).

2 濾波器設(shè)計要求及方案

在微波設(shè)計綜合的過程中一般分為4個階段:

(1)給定指標(biāo)要求

對于一個二端口濾波器網(wǎng)絡(luò)有:截止頻率、通帶損耗、阻帶邊頻、阻帶衰減以及輸入輸出阻抗等主要技術(shù)指標(biāo).

(2)選定逼近函數(shù)

設(shè)計濾波器要選定其低通原型濾波器，常用的包括巴特沃斯函數(shù)、切比雪夫函數(shù)、橢圓函數(shù)和高斯多項(xiàng)式，根據(jù)選定的逼近函數(shù)確定諧振腔的數(shù)目.

(3)確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選定了微波濾波器的類型，通過計算或查圖表可得出系統(tǒng)的尺寸、參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖或電路圖.

(4)微波仿真實(shí)現(xiàn)

通過微波設(shè)計軟件進(jìn)行仿真設(shè)計得到結(jié)論驗(yàn)證設(shè)計，根據(jù)結(jié)果驗(yàn)證是否滿足給定指標(biāo)要求，進(jìn)行分析誤差，最后工藝實(shí)現(xiàn).

本論文要設(shè)計的濾波器主要技術(shù)指標(biāo):濾波器的中心頻率是915MHz，F(xiàn)BW=50%，帶內(nèi)回波損耗為20dB，帶內(nèi)等波紋衰減 Lp=0.1 dB，輸入、輸出的同軸線特性阻抗為50Ω，微帶線介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27，要求阻帶陡度較高.

由上述設(shè)計指標(biāo)可確定設(shè)計方法，采用“準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器”類型，它是橢圓函數(shù)的修正函數(shù)，帶外具有有限傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器可以采用此函數(shù).本論文擬采用高品質(zhì)諧振腔交叉耦合的形式實(shí)現(xiàn)該帶通濾波器，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，通帶陡度較高，適合小型化設(shè)計，性能較高的天線或雷達(dá)雙工器等電路使用.

3 濾波器設(shè)計過程

本論文采用三腔微帶環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)一個交叉耦合濾波器.

(1)n腔交叉耦合帶通濾波器等效電路如下圖所示:

取n=3，可得3×3階耦合矩陣M:

(2)修正橢圓函數(shù)

3階橢圓函數(shù)濾波器的低通增益函數(shù)修正為

其中

其中的等波紋系數(shù)也必須進(jìn)行修正:

取ωF導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)，得到(－1，1)內(nèi)各點(diǎn)的最大值α，有

n

(3)元件的微波實(shí)現(xiàn)

利用HFSS軟件設(shè)計此交叉耦合環(huán)形濾波器，微帶線介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27.腔體為半波長方腔結(jié)構(gòu)，通過磁耦合和交叉耦合構(gòu)成，腔間耦合程度通過腔間距離來控制，通過饋線位置、合適的邊界條件以及腔體尺寸距離調(diào)節(jié)，使得濾波器諧振頻率為915MHz左右，滿足設(shè)計要求.

4 設(shè)計論證及二次應(yīng)用

(1)設(shè)計建模

本論文選用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，選用材料為10.8/1.27的接地板，確定饋線端口和邊界條件，進(jìn)行掃頻求解，圖1為在HFSS中繪制的交叉耦合濾波器，圖2為交叉耦合濾波器的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和腔體尺寸距離..

圖1 三腔環(huán)形交叉耦合濾波器

圖2 濾波器的尺寸結(jié)構(gòu)

(2)仿真結(jié)果

設(shè)置掃頻頻段為0.8～1.05GHz得到濾波器反射系數(shù)和傳遞系數(shù)曲線如圖3所示，由圖可得該濾波器中心頻率為915MHz，帶寬為45MHz頻率范圍，帶外抑制大于20dB，帶內(nèi)等波紋衰減較小，邊緣陡峭，基本滿足設(shè)計要求.若需要其他指標(biāo)濾波器可以適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合環(huán)的位置.

圖3 反射系數(shù)和傳遞函數(shù)曲線圖

(3)濾波器應(yīng)用

本論文設(shè)計的微波濾波器，具有小型化、頻段選擇性高、邊沿陡峭等特點(diǎn)，適用于小型化雷達(dá)雙工器等，雷達(dá)雙工器是利用兩個不同中小頻率的帶通濾波器將不同頻段的信號傳輸給同一傳輸線，并借助于同一副無線發(fā)射出去，同時將同一無線接收來的不同頻段信號分開，便于檢測.這樣可以改善隔離度，提高雷達(dá)靈敏度和保密度，在雷達(dá)通信系統(tǒng)里應(yīng)用廣泛，如圖4所示.

圖4 射頻接收機(jī)通信模塊

5 結(jié)論

在雙工器、多工器等濾波器組合中，為了改善隔離度，希望濾波器特性的邊沿更陡峭，用交叉耦合形式比較合適，它可以在高低兩端實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)，進(jìn)一步提高帶通濾波器的帶外抑制.本文設(shè)計了一種小型化交叉耦合濾波器，由3個高品質(zhì)諧振腔組成，設(shè)計指標(biāo)中小頻率為915MHz，通帶為45MHz，并采用HFSS軟件對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果說明該濾波器與設(shè)計指標(biāo)基本一致，設(shè)計方法簡單實(shí)用，可行性高，該射頻帶通濾波器尺寸單位為毫米，材料可為新型陶瓷材料性能滿足邊沿陡峭、小型化、功耗較低等特點(diǎn)，可很好應(yīng)用于毫米波波段工程.

［1］王蒙.切比雪夫低通濾波器型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.泰山學(xué)院學(xué)報，2010(3).

［2］趙春暉，張朝柱.微波技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

［3］顧繼慧.微波技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］雷振亞.射頻微波導(dǎo)論［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［5］姬五勝，彭清斌.微波濾波器小型化設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009(8).